第9章.如影隨形-云計(jì)算

第9章如影隨形—云計(jì)算CONTENTS目錄9.1云計(jì)算的概念與特征9.2云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)9.3云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用初識(shí)云計(jì)算9.19.1.1云計(jì)算產(chǎn)生的背景1．經(jīng)濟(jì)方面（1）全球經(jīng)濟(jì)一體化后危機(jī)時(shí)代加快了全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展速度。實(shí)踐證明，國(guó)家和地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和比較優(yōu)勢(shì)可以促使全球合作尋租的興起，從而更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。另外，基于成本考慮，價(jià)值鏈上的協(xié)作者會(huì)自發(fā)整合相關(guān)資源；基于效率考慮，協(xié)同效應(yīng)需要彈性的業(yè)務(wù)流程支持，對(duì)成本和效率的需求進(jìn)一步催化了云計(jì)算的發(fā)展。（2）日益復(fù)雜的世界和不可確定性在復(fù)雜的世界面前，不確定因素在更快、更多地涌現(xiàn)，計(jì)劃跟不上變化，任何一臺(tái)精于預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)。（3）需求是云計(jì)算發(fā)展的動(dòng)力IT設(shè)施要成為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)在面臨高成本的瓶頸。這些成本至少包括人力成本、資金成本、時(shí)間成本、使用成本、環(huán)境成本等。云計(jì)算帶來(lái)的益處是顯而易見(jiàn)的：用戶不需要專門的IT團(tuán)隊(duì)，也不需要購(gòu)買、維護(hù)、安放有形的IT產(chǎn)品，可以低成本、高效率、隨時(shí)按需服務(wù)；云計(jì)算服務(wù)提供商可以極大提高資源（硬件、軟件、空間、人力、能源等）的利用率和業(yè)務(wù)響應(yīng)速度，有效聚合產(chǎn)業(yè)鏈。2．社會(huì)方面（1）數(shù)字一代的崛起未來(lái)的世界在網(wǎng)上，世界的未來(lái)在云中。截至2022年6月，中國(guó)網(wǎng)民規(guī)模為10.51億人，較2021年12月新增網(wǎng)民1919萬(wàn)人，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)74.4%。網(wǎng)民人均每周上網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)為29.5h，使用手機(jī)上網(wǎng)的比例達(dá)99.6%。中國(guó)擁有超大規(guī)模的社會(huì)化媒體內(nèi)容的貢獻(xiàn)者，他們使用博客、微博、社區(qū)、視頻和圖片分享等形式，更依賴于在線交流。云計(jì)算為數(shù)字一代消費(fèi)者提供了良好的服務(wù)。（2）消費(fèi)行為的改變“互聯(lián)網(wǎng)+”已成為“云時(shí)代”天空下璀璨的一顆星。對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)參與者而言，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用信息通信技術(shù)，把互聯(lián)網(wǎng)和包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)結(jié)合起來(lái)，在新的領(lǐng)域創(chuàng)造一種新的生態(tài)，就成為一種必然選擇。3．技術(shù)方面（1）技術(shù)成熟技術(shù)是云計(jì)算發(fā)展的基礎(chǔ)。首先是云計(jì)算自身核心技術(shù)的發(fā)展，主要包括硬件技術(shù)、虛擬化（計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用虛擬化）技術(shù)、海量存儲(chǔ)技術(shù)、分布式并行計(jì)算技術(shù)、多租戶架構(gòu)技術(shù)、自動(dòng)管理與部署技術(shù)等；其次是云計(jì)算賴以存在的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，主要包括高速大容量網(wǎng)絡(luò)、無(wú)處不在的接入、靈活多樣的終端、集約化的數(shù)據(jù)中心、萬(wàn)維網(wǎng)（WorldWideWeb，Web）技術(shù)等。（2）企業(yè)IT的成熟和計(jì)算能力過(guò)剩需求的波動(dòng)性使得按峰值設(shè)計(jì)建設(shè)的IT資源中存在大量的閑置資源。企業(yè)內(nèi)部的資源平衡帶來(lái)私有云需求，外部的資源協(xié)作促進(jìn)公有云的發(fā)展。商業(yè)模式是云計(jì)算的內(nèi)在要求，是用戶需求的外在體現(xiàn)，而且云計(jì)算為這種特定商業(yè)模式提供了現(xiàn)實(shí)可能性。從商業(yè)模式看，云計(jì)算的主要特征是以網(wǎng)絡(luò)為中心、以服務(wù)為產(chǎn)品、按需使用和付費(fèi)，這些特征對(duì)傳統(tǒng)的用戶自建基礎(chǔ)設(shè)施、購(gòu)買有形產(chǎn)品或介質(zhì)、一次性買斷模式等是一個(gè)顛覆性的革命。9.1.2云計(jì)算的演進(jìn)歷程電廠模式網(wǎng)格計(jì)算模式云計(jì)算模式效用計(jì)算模式1．電廠模式階段有人說(shuō)電廠模式就好比利用電廠的規(guī)模效應(yīng)來(lái)降低電價(jià)，并讓用戶使用方便，且無(wú)須維護(hù)和購(gòu)買任何發(fā)電設(shè)備，這個(gè)比喻很好。云計(jì)算就是這樣一種規(guī)模計(jì)算模式，通過(guò)將大量的分散資源集中起來(lái)，進(jìn)行規(guī)?；芾恚瑥亩档统杀?，方便用戶使用。2．效用計(jì)算模式階段在1960年左右，當(dāng)時(shí)計(jì)算設(shè)備的價(jià)格是非常高昂的，遠(yuǎn)非普通企業(yè)、學(xué)校和機(jī)構(gòu)所能承擔(dān)，所以很多人產(chǎn)生了共享計(jì)算資源的想法。1961年，麥肯錫在一次會(huì)議上提出了“效用計(jì)算”的概念，其核心借鑒了電廠模式，具體目標(biāo)是整合分散在各地的服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)以及應(yīng)用程序來(lái)共享給多個(gè)用戶，讓用戶能夠非常方便地使用計(jì)算資源，并且根據(jù)用量來(lái)付費(fèi)。3．網(wǎng)格計(jì)算模式階段網(wǎng)格計(jì)算是一種跨地區(qū)，甚至跨國(guó)家、跨洲的獨(dú)立管理的資源結(jié)合。該模式對(duì)資源進(jìn)行獨(dú)立管理，而不是統(tǒng)一布置、統(tǒng)一安排。網(wǎng)格資源是異構(gòu)的，不強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的安排。另外網(wǎng)格的使用通常讓分散的用戶構(gòu)成虛擬組織，在這樣一種統(tǒng)一的網(wǎng)格基礎(chǔ)平臺(tái)上用虛擬組織形態(tài)從不同的自治域訪問(wèn)資源。4．云計(jì)算模式階段云計(jì)算的核心與效用計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的核心非常類似，也是希望IT技術(shù)能像使用電力那樣方便，并且成本低廉。但與效用計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算不同的是，云計(jì)算在需求方面已經(jīng)有了一定的規(guī)模，同時(shí)在技術(shù)方面基本成熟。云計(jì)算的概念與特征9.29.2.1云計(jì)算的概念9.2.2云計(jì)算的特征按需服務(wù)云計(jì)算的特征資源池廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)快速?gòu)椥允褂每啥攘康姆?wù)高可靠性1.按需服務(wù)

用戶可以根據(jù)自身實(shí)際需求擴(kuò)展和使用云計(jì)算資源，云計(jì)算具有快速提供資源和服務(wù)的能力。服務(wù)商能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方便地進(jìn)行計(jì)算能力的申請(qǐng)、配置和調(diào)用，可以及時(shí)進(jìn)行資源的分配和回收。2.廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供自助服務(wù)，使用者不需要部署相關(guān)的硬件設(shè)施和應(yīng)用軟件，也不需要了解所使用資源的物理位置和配置等信息，可以直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行透明訪問(wèn)，來(lái)獲取云中的計(jì)算資源。3.資源池匯集分配4.快速?gòu)椥允褂?/p>

服務(wù)商的計(jì)算能力根據(jù)用戶需求變化，能夠快速而有彈性地實(shí)現(xiàn)資源供應(yīng)，快速部署資源或獲得服務(wù)。云計(jì)算平臺(tái)可以按照客戶需求快速部署和提供資源。通常情況下資源和服務(wù)是無(wú)限的，可以隨時(shí)隨地?zé)o限量購(gòu)買。云計(jì)算業(yè)務(wù)使用則按資源的使用量計(jì)費(fèi)。5.可度量的服務(wù)檢測(cè)控制管理

云服務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)服務(wù)類型提供相應(yīng)的計(jì)量方式，云計(jì)算控制系統(tǒng)通過(guò)一些適當(dāng)?shù)某橄蠓?wù)計(jì)量能力來(lái)提高資源利用率，還可以檢測(cè)、控制和管理資源使用過(guò)程。同時(shí)，在供應(yīng)者和消費(fèi)者之間提供透明服務(wù)。6.高可靠性通過(guò)虛擬化技術(shù)將分布在不同物理服務(wù)器上的應(yīng)用進(jìn)行恢復(fù)或利用動(dòng)態(tài)擴(kuò)展功能部署到新的服務(wù)器上進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換9.2.3云計(jì)算的分類1．按服務(wù)類型分類云計(jì)算按服務(wù)類型可以分為三大類，分別是IaaS、PaaS、SaaS（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（InfrastructureasaService，IaaS）提供

IT基礎(chǔ)設(shè)施，例如服務(wù)器、虛擬機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)等。IaaS把計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及搭建應(yīng)用環(huán)境所需的一些工具當(dāng)成服務(wù)提供給用戶，使得用戶能夠按需獲取IT基礎(chǔ)設(shè)施。（2）平臺(tái)即服務(wù)（PlatformasaService，PaaS）提供開(kāi)發(fā)、測(cè)試、交付和管理軟件應(yīng)用程序所需的環(huán)境，無(wú)須考慮對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置或管理。PaaS是一種分布式平臺(tái)服務(wù)，為用戶提供一個(gè)包括應(yīng)用設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、應(yīng)用測(cè)試及應(yīng)用托管在內(nèi)的完整計(jì)算平臺(tái)，如圖9.8所示。PaaS的核心技術(shù)主要有：描述性狀態(tài)遷移（RepresentationalStateTransfer，REST）技術(shù)、多租戶技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)、分布式緩存技術(shù)等。PaaS的主要用戶是開(kāi)發(fā)人員。PaaS平臺(tái)的種類目前較少，比較著名的有：F、GoogleAppEngine、WindowsAzure、CloudFoundry。（3）SaaS向用戶提供軟件應(yīng)用復(fù)合和用戶交互接口等服務(wù)，以訂閱為基礎(chǔ)按需提供。SaaS云服務(wù)提供商負(fù)責(zé)維護(hù)和管理云中的軟件以及支撐軟件運(yùn)行的硬件設(shè)施，同時(shí)免費(fèi)為用戶提供服務(wù)或者以按需使用的方式向用戶收費(fèi)，如圖9.9所示。SaaS核心技術(shù)主要有：虛擬化技術(shù)、分布式存儲(chǔ)技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超大規(guī)模資源管理技術(shù)、云服務(wù)計(jì)費(fèi)技術(shù)等。SaaS就是軟件服務(wù)提供商為滿足用戶的需求而提供的軟件計(jì)算能力，用戶無(wú)須安裝、升級(jí)和防病毒等，并且免去了初期的軟硬件支出。2．按部署類型分類云計(jì)算按部署類型主要分為公有云、私有云、混合云、社區(qū)云（1）公有云公有云通常指第三方提供商為用戶提供的云，如圖9.11所示。公有云一般可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用，通常是免費(fèi)或成本低廉的。這種云有許多實(shí)例，可在整個(gè)開(kāi)放的公有網(wǎng)絡(luò)中提供服務(wù)。公有云服務(wù)于普通大眾，優(yōu)點(diǎn)是：使用方便，除通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)外，還可以通過(guò)其他方式提供服務(wù)；成本低廉，客戶只需為他們使用的資源支付費(fèi)用；無(wú)須擔(dān)心安裝和維護(hù)問(wèn)題，服務(wù)商可以訪問(wèn)所提供的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。（2）私有云

私有云是為一個(gè)客戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的，因而提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的有效控制。私有云公司擁有基礎(chǔ)設(shè)施，并可以控制在此基礎(chǔ)設(shè)施上部署應(yīng)用程序。私有云可部署在企業(yè)數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，也可以將它們部署在一個(gè)安全的主機(jī)托管場(chǎng)所。私有云的核心屬性是專有資源。私有云中的數(shù)據(jù)較安全，服務(wù)穩(wěn)定，可以充分利用現(xiàn)有的硬件和軟件資源。（3）混合云混合云融合了公有云和私有云，是近年來(lái)云計(jì)算的主要模式和發(fā)展方向。我們已經(jīng)知道私有云主要面向企業(yè)用戶，出于安全考慮，企業(yè)更愿意將數(shù)據(jù)存放在私有云中，但是同時(shí)又希望可以獲得公有云的計(jì)算資源。在這種情況下混合云得到越來(lái)越多的使用，它將公有云和私有云進(jìn)行混合和匹配，以獲得最佳的效果。這種個(gè)性化的解決方案，達(dá)到了既低廉又安全的目的。（4）社區(qū)云社區(qū)云是由幾個(gè)組織共享的云端基礎(chǔ)設(shè)施，支持特定的社群，有共同的關(guān)切事項(xiàng)，例如使命任務(wù)、安全需求、策略與法規(guī)遵循考量等。管理者可能是組織本身或第三方；管理位置可能在組織內(nèi)部，也可能在組織外部。公有云、私有云和混合云對(duì)比：云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)9.3云計(jì)算怎么實(shí)現(xiàn)的？9.3.1虛擬化技術(shù)云計(jì)算組織和管理了大量的IT資源，按需服務(wù)，彈性資源池離不開(kāi)云背后的虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)云計(jì)算能運(yùn)行各種服務(wù)應(yīng)用虛擬技術(shù)容器提供了一種簡(jiǎn)單的輕量級(jí)隔離方法使得不同的服務(wù)應(yīng)用在云上運(yùn)行相互不影響大大減小管理復(fù)雜度和運(yùn)行壓力提升靈活性1．CPU虛擬化CPU虛擬化指的是將單個(gè)CPU虛擬成多個(gè)CPU進(jìn)行使用，可以解決一部分兼容問(wèn)題，提升軟件運(yùn)行效率，充分利用計(jì)算機(jī)的資源。2．內(nèi)存虛擬化

通過(guò)虛擬化技術(shù)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行虛擬化，一方面可以使得進(jìn)程擁有“更多的內(nèi)存”，另一方面讓多個(gè)虛擬機(jī)能同時(shí)利用同一塊內(nèi)存，內(nèi)存的使用從0開(kāi)始，并保持連續(xù)。3．網(wǎng)絡(luò)I/O虛擬化網(wǎng)絡(luò)輸入輸出（Input/Output，I/O）虛擬化是一種新型的虛擬化技術(shù)，源自對(duì)物理連接或物理傳輸上層協(xié)議的抽象，讓物理服務(wù)器和虛擬機(jī)可以共享I/O資源。這種虛擬化技術(shù)大多應(yīng)用在本地主機(jī)服務(wù)器連接到機(jī)器頂端單元的場(chǎng)景中，這個(gè)單元承載著各種網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和圖形適配器，它們構(gòu)成了I/O連接資源的動(dòng)態(tài)池。4．網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化又稱為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV），是將以前基于硬件的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谲浖木W(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)在物理網(wǎng)絡(luò)上模擬出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。這種技術(shù)允許獨(dú)立于硬件來(lái)交付網(wǎng)絡(luò)功能、硬件資源和軟件資源，即虛擬網(wǎng)絡(luò)它可以用來(lái)合并許多物理網(wǎng)絡(luò)，或者將一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步細(xì)分，又或者將虛擬機(jī)（VM）連接起來(lái)。其優(yōu)勢(shì)是提升硬件的利用率，加快新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)的推廣效率，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理和提升網(wǎng)絡(luò)安全性9.3.2分布式存儲(chǔ)技術(shù)1．傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)系統(tǒng)性能、可靠性的瓶頸問(wèn)題，導(dǎo)致讀寫(xiě)計(jì)算性能不足，擴(kuò)展性差，數(shù)據(jù)規(guī)模較大時(shí)無(wú)法滿足存儲(chǔ)需求。2．分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)行在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，自動(dòng)整合集群內(nèi)所有的存儲(chǔ)資源，并通過(guò)虛擬化對(duì)外提供文件訪問(wèn)服務(wù)，具有更好的擴(kuò)展性與更大的容量，更符合大規(guī)模數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的要求。9.3.3云管理平臺(tái)9.3.4云安全云安全：9.3.5自動(dòng)化部署技術(shù)自動(dòng)化部署技術(shù)

部署就是指完成軟件開(kāi)發(fā)后，通過(guò)一些配置使得開(kāi)發(fā)的軟件能夠在目標(biāo)環(huán)境中運(yùn)行。在此過(guò)程中，源代碼會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀繕?biāo)環(huán)境中可運(yùn)行的軟件包。自動(dòng)化部署指部署過(guò)程中的操作全部自動(dòng)化，無(wú)須人工參與。在大型項(xiàng)目的部署上應(yīng)用自動(dòng)化部署技術(shù)可以大大提升效率。目前，已經(jīng)有一些工具可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這些操作，如Jenkins、GitLabCI/CD、GitHubActions等。云計(jì)算的應(yīng)用9.41.云物聯(lián)可穿戴設(shè)備智能家居車聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管設(shè)備2.